4. INGENIERÍA BÁSICA
4.2. Cumplimiento de requerimientos de automatización del proceso POAP – EI
4.2.2. Diagramas para documentación gráfica del proceso
Un proyecto de ingeniería dispone de estándares para representar gráficamente los procesos productivos, en el caso de instrumentación industrial y control se representan con: Diagrama de Flujo de Proceso (PFD, Process Flow Diagram), Diagrama de Tuberías e Instrumentación (P&ID, Piping and Instrumentation Drawing), Diagramas de Lazo y Diagramas SAMA (Scientific Apparatus Maker Association) [72].
Los PFD representan una imagen general de cómo interactúan los flujos del proceso con los equipos, este tipo de diagrama no muestra detalles [73]. En cambio, los diagramas de lazo son detallados, debido a que estos muestran las conexiones desde un punto al sistema de control. Además, los P&ID se encuentran en un nivel intermedio de detalle, debido a que muestran el flujo del proceso y los datos entre los instrumentos que miden y controlan. Por otra parte, los diagramas SAMA se utilizan para documentar la estrategia de control del sistema, sin embargo, son utilizados en la industria energética [63].
Para el POAP - EI se hace necesario la representación gráfica de los PFD y P&ID. Debe agregarse que para un correcto diseño de dichos diagramas, se usó el estándar ISA - 5, específicamente las secciones 1, 2 y 3 para la normalización de la instrumentación medición y control, simbologías de operaciones binarias de proceso y para microprocesadores de control compartido [54], [74], [75].
El PFD fue realizado con el objetivo de mostrar el flujo completo de los materiales a través de todo el proceso, teniendo en cuenta las modificaciones realizadas en los modelos de proceso.
El flujo de proceso inicia con el ingreso de las materias primas a la cisterna de donde es transportada por medio de una motobomba al tanque de almacenamiento, en el cual se
73
lleva a cabo la preparación del ensilado de pescado; después del tiempo de hidrólisis, el ensilado es llevado por medio de tubería al separador centrífugo, equipo en el que se separa el aceite del hidrolizado; después, este es transportado al primer reactor para adicionar los componentes químicos requeridos en la operación de desgomado y posteriormente será sometido a cambios químicos; luego de esto, se lleva la mezcla al segundo separador centrífugo donde se retira la goma del aceite; enseguida este se lleva al segundo reactor para realizar la adición de los componentes químicos necesarios para la operación de neutralizado y será sometido a cambios químicos; después se transporta la mezcla al segundo separador centrífugo, en el cual se obtendrá el aceite neutro de pescado; terminada esta operación de proceso, el aceite neutro se transporta al primer reactor para adicionar la tierra silícea y se someterá a cambios químicos, una vez culminado el tiempo se pasa la mezcla por el segundo separador centrífugo para retirar algunos componentes del aceite; por último, este pasa al segundo reactor sometiéndolo a flujo de nitrógeno para ser desodorizado y así completar con la etapa de refinación (ver sección 2.2.1 y Figura 36).
Figura 36: diagrama de flujo POAP – EI. EXTRACCIÓN DE ACEITE DE PESCADO
EXTRACCIÓN DE ACEITE DE PESCADO REFINACIÓN DEL ACEITE DE PESCADO REFINACIÓN DEL ACEITE DE PESCADO
Autores:
Lenin Córdoba Sergio Melo Universidad del Cauca
Fecha de elaboración:
29 / 01 / 2017
Fecha de última modificación:
02 / 02 / 2017
Título del plano:
Diagrama de flujo del proceso de obtención de aceite de pescado a escala industrial ACEITE REFINADO A B C D E F G H Eviscerado de pescado BHT Entrada insumos de proceso Entrada insumos de proceso
Flujo eviscerado de pescado Eviscerado de pescado
A Mezcla de eviscerado, BHT y acido Fórmico B Aceite crudo de pescado
C Mezcla de aceite crudo y acido Fosfórico D Aceite desgomado
E Mezcla de aceite desgomado y KOH F Aceite neutro
G Mezcla de aceite neutro y tierra silicea H Aceite decolorado
5 Flujo operación de desodorizado I Aceite refinado de pescado
4
Convenciones Flujo extracción aceite crudo de pescado Flujo operación de desgomado Flujo operación de neutralizado Flujo operación de decolorado
1 2 3
Agua con proteina de pescado ACIDO FÓRMICO Tanque Separador centrifugo Reactor Reactor Separador centrifugo Cisterna recepción eviscerado Revisó:
Ing. Juan Fernando Flórez Marulanda
Versión No:
POAP-EI_001
Fuente: elaboración propia, enero de 2017.
De la Figura 36, se aprecia que en la operación de obtención de aceite del ensilado se genera un subproducto de proceso, el cual debe ser aprovechado para otro tipo de producción por los altos contenidos proteínicos que presenta. Por tal motivo, en el anexo J (recomendación de equipo (s) para el tratamiento de la hidrólisis de proteína de pescado, HPP) se realiza el estudio de los sistemas de secado más adecuados que permitirán el máximo aprovechamiento de este.
74 Descripción de las variables del POAP – EI
Para describir las variables involucradas en el proceso, se ejecuta por 2 etapas:
a) Extracción de aceite crudo, etapa en la que se encuentran involucrados los equipos como tanque de almacenamiento en la operación de preparado del ensilado y separador centrífugo en la operación de extracción del aceite del ensilado.
b) Refinación del aceite crudo, en esta intervienen los equipos reactor y separador centrífugo para las siguientes operaciones: desgomado, neutralizado, decolorado y desodorizado.
Del estudio del POAP – EI (ver capítulo 3), se tiene que las variables que gobiernan el proceso son: nivel del tanque, velocidad de agitación (tanto en el tanque de almacenamiento como en el reactor), velocidad de centrifugado, temperatura y tiempos (mezclado y centrifugado); las anteriores variables se generan debido a la naturaleza del proceso propuesto (proceso semi-automático). Para ello, se tienen equipos e instrumentación que requieren el uso de un sistema de control, tal es el caso de motobomba (en la etapa de extracción de aceite crudo) y electroválvulas (tanto en la etapa de extracción como en la de refinación). En la Tabla 21, se listan las etapas de proceso, los equipos principales asociados indicando la cantidad requerida de estos y las variables (controladas, manipuladas y disturbio) relacionadas a estas, las cuales se clasifican en no existente (NE) y no crítico (NC). Para el caso de los equipos secundarios e instrumentación (motobombas y electroválvulas) se aclara que estos requieren el control de encendido y apagado.
Tabla 21: descripción conceptual por etapas del POAP – EI.
Etapa de
proceso Equipo
Variable controlada
Variable
manipulada Variable de disturbio
Extracción de aceite crudo
Tanque (6)
Velocidad de
agitación Frecuencia
Pérdida de tensión eléctrica (NE), obstrucción de las aspas por material no adecuado (NE)
Tiempo mezclado
Tiempo mezclado
Pérdida de tensión eléctrica (NE).
Nivel del tanque Corriente Pérdida de tensión eléctrica
(NE) Separador
centrífugo (2)
Velocidad de
centrifugación Frecuencia
Pérdida de tensión eléctrica (NE) Refinación aceite crudo Tiempo centrifugado Tiempo centrifugado No aplica Reactor (2) Velocidad de agitación Frecuencia
Pérdida de tensión eléctrica (NE)
Tiempo mezclado 2
Tiempo mezclado 2
Pérdida de tensión eléctrica (NE).
Temperatura Corriente
Temperatura entrada del
material (NC), pérdida de tensión eléctrica (NE)
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De la tabla anterior, se observa que la mayoría de los disturbios son NE; sin embargo, para el caso de los disturbios NC (los cuales se pueden propagar por el sistema), se plantea un sistema de control feedback, tanto para la variable temperatura en los reactores que debe mantenerse constante a 80 °C y para las velocidades del separador centrífugo y agitación (tanto de los reactores como de los tanques de almacenamiento), las cuales se deben mantener constantes durante todo el proceso. En cuanto a la apertura y cierre de las electroválvulas, encendido y apagado de las motobombas se plantea un sistema de control ON/OFF.
Escenario de automatización del POAP – EI
Analizando la distribución geográfica de la planta y debido a las condiciones de manejo en cuanto a las áreas de producción y almacenamiento de materia prima (ver capítulo 3 sección 3.1.5) se requieren 2 armarios de control, uno por cada área. En los cuales se propone que un primer PLC se encargará del control de electroválvulas asociadas a la etapa de extracción, motobomba y variables de proceso (velocidad de agitación y monitoreo de nivel por medio de los interruptores de alto y bajo) en el área de almacenamiento; un segundo PLC que se encargará del control de electroválvulas asociadas a la etapa de refinación, motobombas y variables de proceso (velocidad de agitación y temperatura) en el área de producción. La distribución geográfica se aprecia en la Figura 37.
Figura 37: plano distribución de planta, tubería y cableado.
Convenciones
Tubería material en proceso
Tubería transporte de ensilado a los tanques de preparación Cable comunicación equipos e instrumentación con los PLCs Cable comunicación RS485 entre los PLCs
Fuente: elaboración propia, marzo de 2017.
Para el escenario de automatización, se requiere de 2 equipos PLCs interconectados entre sí por medio de un bus de campo RS485, de tal manera que se permita el intercambio de información entre ellos. A la entrada del PLC del área de almacenamiento (PLCA, ubicado en el armario de control 1, ver Figura 37) se conectan los siguientes instrumentos: 7 interruptores para nivel alto y 7 para nivel bajo; a la salida se conectan 13 electroválvulas de compuerta para tubería de 2” y una motobomba. A la entrada del PLC del área de producción (PLCP, ubicado en el armario de control 2, ver Figura 37) se
76
conectan los siguientes instrumentos; una Panelview por medio de un protocolo de comunicación RS232 la cual tendrá montado un sistema HMI (por sus siglas en inglés: Human – Machine Interface) para el control y supervisión del proceso, 2 encoders incrementales, 2 variadores de frecuencia (VFD), 2 interruptores para bajo nivel, 2 termocuplas encapsuladas en pozuelo y este a su vez conectado a un cabezal el cual tendrá un transmisor de temperatura de tipo disco; a la salida se conectan 7 electroválvulas de compuerta para tubería de 2“ y 2 motobombas. A continuación, se presentan los diagramas PI&D elaborados (ver Figura 38 a Figura 41) para cada uno de los equipos que intervienen en el POAP – EI divididos en las etapas de proceso de extracción y refinación de aceite crudo.
Dicho lo anterior, se plantea la implementación de dos PLCs uno por cada área (almacenamiento y producción), de tal manera que dada la distribución de la planta el PLCA se encargará del control de nivel de llenado de la cisterna, la cual cuenta con 2 sensores (para nivel alto y nivel bajo) indicando al PLCA el momento en que debe encender la motobomba y las electroválvulas correspondientes para llenar el tanque; para el apagado de la primera motobomba se ejecuta cuando el tanque esté lleno o cuando la cisterna se encuentre en el nivel más bajo. Una vez el tanque se encuentre lleno el operario deberá adicionar los químicos de la operación (ácido Fórmico y BHT), luego de esto deberá por medio de la PanelView indicar al PLCA que inicie la acción de mezclado durante el tiempo correspondiente, después de este tiempo dejar la mezcla durante 6 días para la hidrólisis.
Para la refinación del lote10, el operario debe indicar al PLCA que active la electroválvula
asociada al tanque que ya cumplió el tiempo de hidrólisis, al mismo tiempo que encienda el primer separador centrífugo y comunique al PLCP que active la segunda motobomba; una vez el tanque esté vacío, por medio de la información del sensor de nivel bajo en el reactor 1, el PLCA deberá apagar el separador centrífugo, a su vez informa al PLCP que ya se ha terminado la acción para que apague la segunda motobomba y muestre al operario en la PanelView que debe adicionar el componente químico correspondiente. Una vez el operario termine la acción de adicionar, deberá por medio de la PanelView indicar al PLCP que inicie la operación correspondiente, realizando: presurización, calentamiento y agitación constante durante el tiempo requerido; cuando el tiempo de la operación haya transcurrido, el PLCP deberá accionar las electroválvulas, encender el segundo separador centrífugo y la tercera motobomba para permitir el paso del aceite de un reactor a otro; por medio de un sensor de nivel bajo en el reactor, el PLCP sabrá el momento en el que deberá apagar instrumentos y equipos como: el separador centrífugo, la tercera motobomba, desactivar la electroválvulas e indicar al operario en la PanelView que debe agregar el componente químico. Estas acciones del PLCP se repiten por cada una de las operaciones (desgomado, neutralizado, decolorado y desodorizado), teniendo en cuenta que en la operación de desodorizado el PLC solo debe controlar la presurización.
10 Un lote equivale al volumen total del tanque de almacenamiento, que a su vez es la cantidad
77
En la Figura 38 se presentan los diagramas P&ID correspondientes a los equipos de la etapa de extracción de aceite crudo. En primer lugar se presenta la motobomba, que es controlada por el PLCA (encendido y apagado de esta) por medio de la señal tomada de los interruptores de nivel de la cisterna; en segundo lugar, el tanque de almacenamiento (6 tanques para proceso) en el cual el PLCA controla el encendido y el apagado de los motores de agitación; en tercer lugar, el separador centrífugo, al cual el PLCA controla el encendido; por otra parte en estos diagramas se incluye el control de encendido y apagado de las electroválvulas acopladas a cada equipo.
Figura 38: diagramas P&ID de los 3 equipos de la etapa de extracción de aceite crudo, POAP – EI, a) motobomba y cisterna, b) tanque de almacenamiento y c) separador centrífugo.
Z0 Eviscerado de pescado Autores: Lenin Córdoba Sergio Melo Univers idad del Cauca
Fecha de elaboración:
01 / 02 / 2017
Fecha de úl ti ma modi fi caci ón:
01 / 02 / 2017
Revisó: Ing. Juan Fernando Flórez Marulanda Versión No:
POAP-EI_001
Título del plano:
Diagrama P&I D de l a motobomba a esc ala industrial
Tanque de almacenamiento (1-6) 01 FC 01 FC Eviscerado de pescado LSH LSL Motobomba Cisterna a) T U B E R IA 1 .5 in A ut or e s: Le ni n Có rd oba S er gi o M elo U ni ver si dad d el C au ca Fe ch a de el ab or a ci ón : 0 1 / 0 2 / 2 01 7 Fe ch a de ú lt i m a m od i fi ca ci ón : 01 / 0 2 / 2 01 7 R evi só: I ng. Jua n Fer na ndo F ló r ez M ar ul and a
V er si ón N o :
P OA P -E I_0 01
Tí t ul o d el p la no :
D ia gr am a P &I D de l a ope ra ció n pr ep ar ado d el e nsi lad o a esc ala i nd ust r ia l
01 SC 01 SC Cisterna BHT Ácido Fórmico Separador LSH 01 LSL 01 01 LC 01 LC Z7 - Z12 Z1 – Z6 b) T U B E R IA 1 .5 i n T u b e ri a 2 i n 01 SC 01 SC A ut or e s: Le ni n Có rd oba S er gi o M elo U ni ver si dad d el C au ca Fe ch a de el ab or a ci ón : 0 1 / 0 2 / 2 01 7 Fe ch a de ú lt i m a m od i fi ca ci ón : 01 / 0 2 / 2 01 7 R evi só :
I ng. Jua n Fer na ndo F ló r ez M ar ul and a
V er si ón N o :
P OA P -E I_0 01
Tí t ul o d el p la no :
D ia gr am a P &I D d el sepa r ado r ce nt ri f ugo a esc ala i nd ust r ia l
Tanque de preparación (1-6) Reactor 1 TUBERIA 1. 5 in Subproducto de proceso Z13 - Z15 01 FC 01 FC Separad or cen trifu go c)
Fuente: elaboración propia, febrero de 2017.
En la Figura 39, se muestra el diagrama P&ID correspondiente a la etapa de refinación de aceite crudo, en la cual se encuentra representada la instrumentación y los equipos necesarios para el control de las variables asociadas a esta. Para el caso del reactor, el PLCP realiza el control de las revoluciones de agitación por medio del VFD, para ello realiza la lectura de la medición tomada por el encoder incremental; el control de la variable temperatura la realiza mediante la lectura tomada del transmisor de temperatura, el cual entrega una señal de 4 – 20 mA, este a su vez toma la señal de medición realizada por la termocupla la cual se encuentra encapsulada en el pozuelo; en el caso del separador centrífugo y la motobomba, la representación de control es la misma que en la etapa de extracción de aceite curdo. Además, en el diagrama se encuentra la representación del control de apertura y cierre de las electroválvulas asociadas a esta etapa.
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Figura 39: diagramas P&ID de los 3 equipos de la etapa de refinación del aceite crudo, POAP – EI, a) motobomba, b) reactor y c) separador centrífugo.
Z19 y Z20 Eviscerado de pescado Autores: Lenin Córdoba Sergio Melo Univers idad del Cauca
Fecha de elaboración: 01 / 02 / 2017 Fecha de úl ti ma modi fi caci ón: 01 / 02 / 2017
Revisó: Ing. Juan Fernando Flórez Marulanda Versión No: POAP-EI_001
Título del plano: Diagrama P&I D de l a motobomba a esc ala industrial
Reactor 02 FC 02 FC Separador centrífugo Aceite Z14 y Z15 Motobomba a) PI 02 02 TC 02 TC SE 02 02 SC 02 SC Entrada insumos de proceso Autores: Lenin Córdoba Sergio Melo Univers idad del Cauca
Fecha de elaboración: 01 / 02 / 2017 Fecha de úl ti ma modi fi caci ón: 01 / 02 / 2017
Revisó: Ing. Juan Fernando Flórez Marulanda Versión No: POAP-EI_001
Título del plano: Diagrama P&I D del reac tor a es cala industrial Motobomba Separador centrifugo Z16 – Z19 VFD 02 02 FC 02 FC TT 02 LSL 02 Reactor b) T U B E R IA 1 .5 i n T u b e ri a 2 i n 01 SC 01 SC A ut or e s: Le ni n Có rd oba S er gi o M elo U ni ver si dad d el C au ca Fe ch a de el ab or a ci ón : 0 1 / 0 2 / 2 01 7 Fe ch a de ú lt i m a m od i fi ca ci ón : 01 / 0 2 / 2 01 7 R evi só :
I ng. Jua n Fer na ndo F ló r ez M ar ul and a
V er si ón N o :
P OA P -E I_0 01
Tí t ul o d el p la no :
D ia gr am a P &I D d el sepa r ado r ce nt ri f ugo a esc ala i nd ust r ia l
Tanque de preparación (1-6) Reactor 1 TUBERIA 1. 5 in Subproducto de proceso Z13 - Z15 01 FC 01 FC Separad or cen trifu go c)
Fuente: elaboración propia, febrero de 2017.
En la Figura 40 se representa el P&ID completo del POAP – EI, el cual cuenta con la instrumentación y equipos necesarios para el escenario de automatización propuesto, en este se aprecia el flujo de proceso y las conexiones de la instrumentación y los equipos de control (PLCA y PLCP). Se observa que la PanelView, se encuentra conectada al PLCP, y despliega el HMI del proceso donde se muestran los parámetros de las variables controladas en el tiempo, esto debido a que tanto los sensores, controladores y transmisores de temperatura son de tipo ciego y dado que es necesario el monitoreo continuo del comportamiento de estas variables se propone la implementación de este equipo. Por otro lado, se observa la conexión de los PLCs entre sí, los cuales están ubicados de acuerdo a la distribución geográfica de las áreas de producción y almacenamiento en la planta (ver Figura 37).
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Figura 40: diagrama P&ID del POAP – EI.
EXTRACCIÓN ACEITE DE PESCADO
EXTRACCIÓN ACEITE DE PESCADO REFINACIÓN ACEITE DE PESCADO REFINACIÓN ACEITE DE PESCADO
Tuberia 2 in
Autores:
Lenin Córdoba Sergio Melo Universidad del Cauca
Fecha de elaboración:
01 / 02 / 2017
Fecha de última modificación:
01 / 02 / 2017
Revisó:
Ing. Juan Fernando Flórez Marulanda
Versión No:
POAP-EI_001
Título del plano:
Diagrama P&ID del proceso de obtención de aceite de pescado a escala industrial
T ub e rí a 2 in T ub e ría 2 in ACEITE REFINADO Tubería 2 in Tubería 2 in PI 02-R1 SE 02-R1 PI 02-R2 SE 02-R2 Eviscerado de pescado BHT Entrada insumos de proceso Entrada insumos de proceso Eviscerado de pescado T ub e rí a 2 in Ácido Fórmico Eviscerado de pescado LSH 01-T2 LSL 01-T2 HMI 01 PLCA 01 PLCA 02 PLCP 02 PLCP Z0 Z1 Z7 Z13 VFD 02-R1 VFD 01-R2 Z16 Z15 Z14 Z17 Z18 LSH 01-T1 LSL 01-T1 BHT Ácido Fórmico LSH 01-T3 LSL 01-T3 Z2 Z8 BHT Ácido Fórmico LSH 01-T4 LSL 01-T4 Z3 Z9 BHT Ácido Fórmico LSH 01-T5 LSL 01-T5 Z4 Z10 BHT Ácido Fórmico LSH 01-T6 LSL 01-T6 Z5 Z11 BHT Ácido Fórmico LSH 01-T7 LSL 01-T7 Z6 Z12 Z19 Z20 01-T1 FC 01-T1 FC 01-T2 FC 01-T2 FC 01-T3 FC 01-T3 FC 01-T4 FC 01-T4 FC 01-T5 FC 01-T5 FC 01-T6 FC 01-T6 FC 01-T7 FC 01-T7 FC 01-S1 SC 01-S1 SC 01-T5 SC 01-T5 SC 01-T2 SC 01-T2 SC 01-T3 SC 01-T3 SC 01-T4 SC 01-T4 SC 01-T6 SC 01-T6 SC 01-T7 SC 01-T7 SC 01-S1 FC 01-S1 FC 02-R1 SC 02-R1 SC TT 02-R1 LSL 02-R1 02-R1 TC 02-R1 TC 02-R1 FC 02-R1 FC 02-M1 FC 02-M1 FC 02-S2 SC 02-S2 SC 02-M2 FC 02-M2 FC TT 02-R2 LSL 02-R2 02-R2 SC 02-R2 SC 02-R2 TC 02-R2 TC 02-R2 FC 02-R2 FC Z21 02-R1 Z22 02-R1 Tanque almacenamiento 1 Separad or cen trifu go Reactor Reactor Separad or cen trifu go Cisterna Tanque almacenamiento 2 Tanque almacenamiento 3 Tanque almacenamiento 4 Tanque almacenamiento 5 Tanque almacenamiento 6
80
En la Figura 41 se encuentra la esquematización del diagrama de mando y potencia de las 3 motobombas requeridas para el POAP – EI.
En la Tabla 22, se encuentra el resumen de los equipos e instrumentación principales requeridos en la propuesta del escenario de automatización, los equipos e instrumentos secundarios se describen en el anexo H, Tabla 32.
Tabla 22: resumen de equipos e instrumentación necesaria para el escenario de automatización.
Equipo Cant. Tag Descripción Rango de trabajo
Electroválvula 18 Z1 - Z18 Electroválvula de compuerta para tubería de 2". 0 – 103 psi